超限框支高層抗震墻建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

趙靜濤 鄒慕燕 趙宇鵬

(北京華咨工程設(shè)計公司,北京 100086)

超限框支高層抗震墻建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

趙靜濤 鄒慕燕 趙宇鵬

(北京華咨工程設(shè)計公司,北京 100086)

結(jié)合工程實例,對超限框支結(jié)構(gòu)設(shè)計原則進(jìn)行簡要論述。通過對設(shè)計探索過程的剖析,我們試圖闡明:對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系,在缺乏較為明確或常規(guī)的規(guī)范依據(jù)情況下,需要回歸到結(jié)構(gòu)設(shè)計最基本的原理上。先期針對結(jié)構(gòu)不同部位、不同受力狀態(tài),分別設(shè)定出在小震、中震、大震作用下不同的抗震設(shè)防目標(biāo),并根據(jù)目標(biāo)期望,進(jìn)行有目的的結(jié)構(gòu)分析,并取得相對應(yīng)的、可靠的內(nèi)力值。這樣,才更能夠最真實的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)狀態(tài),從而確保結(jié)構(gòu)安全。

超限高層;框支結(jié)構(gòu);小震-中震-大震;結(jié)構(gòu)彈性-彈塑性-塑性階段;不屈服

近些年,隨著城市建設(shè)進(jìn)程,建筑呈現(xiàn)復(fù)雜性多樣性趨勢。超限建筑向普遍化發(fā)展。甚至在普通住宅建筑上同樣有所體現(xiàn)。由我公司承擔(dān)設(shè)計的北京漁陽花園工程,就是典型的超限高層住宅建筑范例。工程建設(shè)地點位于北京市平谷區(qū)。本項目由 5棟 17～ 29層住宅樓 (A、B、C、D、E)、2層商業(yè)裙房及三層地下室聯(lián)通組成。其中A、B座為 29層,首二層商業(yè)大空間,考慮將結(jié)構(gòu)設(shè)為局部框支,建筑總高超過 80m,屬于 B類高層范疇。B類高層建筑,除按規(guī)范相關(guān)條文執(zhí)行以外,根據(jù)建筑特殊型,必須針對具體項目,具體分析。以下結(jié)合 B座實例,淺述一下框支結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則。

1 結(jié)構(gòu)整體布置方案

本工程按八度抗震設(shè)防;第一組;設(shè)計基本地震加速度 0.2g。建筑場地土類別為■類。屬丙類建筑。框支框架抗震等級為特一級;底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級為特一級;非底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級為一級。

1.1 結(jié)構(gòu)方案選型

對于建筑結(jié)構(gòu)方案的分析,通常按以下步驟著手:先是結(jié)構(gòu)形式初步確定;再根據(jù)建筑方案細(xì)化結(jié)構(gòu)體系布置,此處應(yīng)充分融入概念設(shè)計思想;這些都確定后,要經(jīng)過計算分析,調(diào)整結(jié)構(gòu)布置趨于合理;其中對重點部位實施精確計算;最后,對于難以量化分析的部位,通過構(gòu)造及概念設(shè)計解決。

1.2 結(jié)構(gòu)形式初定

本工程屬于高層住宅,直觀確定,還是剪力墻結(jié)構(gòu)較為合適;下層局部開敞做商業(yè)用途,考慮采用局部框支構(gòu)件。本工程 B座的最大特點,是平面較為扁長,X向 70m;Y向約 18m。由此可以預(yù)想出設(shè)計兩大難題:一個是建筑體型先天不足對剛度均勻要求的挑戰(zhàn),另一個就是框支層所需承載能力較大的計算理論研究。根據(jù)本工程狹長與框支較多的特點,我們的結(jié)構(gòu)布置遵循:結(jié)構(gòu)傳力布置力求簡潔明確的原則。盡量將剛心與質(zhì)心調(diào)配重合。盡量將剛度邊緣化。將核心筒與外墻盡量加強(qiáng)。因為這些部位的墻體基本都可落地,一方面加強(qiáng)底部抗剪能力;另外,外墻落地可以有效抗扭(圖 1)。框支布置也要均勻設(shè)置(圖 2粗線示意),取完整墻肢,一次轉(zhuǎn)換。

另外,在細(xì)部構(gòu)造上的具體措施還有一些,例如:盡量不設(shè)角窗;局部調(diào)整窗洞口對齊,其目的是,改善局部結(jié)構(gòu)承載力,構(gòu)造趨于合理;還有,將 X向較長墻體,開部分結(jié)構(gòu)洞口;核心筒 300厚墻體于標(biāo)準(zhǔn)層減薄為 200,目的是,將 X向減柔,以使X-Y向周期接近;另外,兩側(cè)山墻增加外伸墻肢;減小邊洞口;增加落地墻量(Y向)等。同樣的目的是 X向減柔,Y向加強(qiáng)。整體布局后,經(jīng)結(jié)構(gòu)電算,各主要參數(shù)見表 1:

表1 結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果參數(shù)表

2 局部框支構(gòu)件設(shè)計

解決了總體結(jié)構(gòu)布置問題,也就解決了前述兩大難題的第一個。接下來,就是本工程需要重點考慮的框支部位的抗震承載計算問題探究。對于超限結(jié)構(gòu),規(guī)范并沒有詳細(xì)的計算要求,必須根據(jù)具體工程特性設(shè)定。本工程特點,仍然圍繞狹長與框支數(shù)量較大的問題展開。

2.1 抗震設(shè)防目標(biāo)

目前的抗震設(shè)計中,有一個基本設(shè)計思路,即:“小震不壞—中震可修—大震不倒”,的三階段設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[1]。另外還有”強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點強(qiáng)錨固”原則,這些原則不是口號,而是需要有數(shù)據(jù)做依托的設(shè)計方法。也許在一般工程中體現(xiàn)尚不典型,本工程的設(shè)計過程,卻處處用到。我們對本建筑設(shè)定的抗震設(shè)防目標(biāo),就是依據(jù)上述原則提出的:

目標(biāo)一:整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算在小震狀態(tài)下,維持足夠的彈性承載力;

目標(biāo)二:落地墻體及框支柱偏壓及偏拉承載力中震不屈服;受剪中震彈性;

目標(biāo)三:轉(zhuǎn)換構(gòu)件(框支梁)承載力,在考慮豎向地震作用下,大震不剪切破壞。

2.2 小震不壞(目標(biāo)一):

即為低于設(shè)防烈度 1.55度左右,這也是規(guī)范各項條文規(guī)定所要重點滿足的階段。鑒于本工程為超限結(jié)構(gòu),設(shè)計采用兩種算法 (CQC與時程分析法),來針對這一階段重點研究。小震狀態(tài),即為結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚處于彈性階段的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)承載力計算和結(jié)構(gòu)位移均采用彈性理論。計算結(jié)果顯示:層間彈性位移角最大值 1/1339(X向);1/1148(Y向),滿足目標(biāo)剛度需要。CQC法的其他各項參數(shù)見表 1,不再贅述。以下為時程分析法主要參數(shù)(圖 3):

可見,結(jié)構(gòu)底層,CQC法結(jié)果較大,起控制作用;而結(jié)構(gòu)頂部構(gòu)件,為彈性時程分析結(jié)果控制(圖4)。故,對頂層結(jié)構(gòu),需加大層剪力作用后,重新復(fù)核承載力。

查對兩種算法的層剪力數(shù)據(jù),剪力放大比例見表2:

表 2 層剪力數(shù)值比較

實際電算中,我們將剪力需加大的層,地震作用放大 1.15倍,(即將需要的層按薄弱層定義)。剪力加大后,連梁最大剪力值并未大幅增加,未超過地震反應(yīng)最大層(10層左右)的連梁剪力值。不過,總體而言,本工程上層連梁超筋還是較多的,不能忽視,必須解決。

2.2.1 小震狀態(tài)的連梁加強(qiáng)措施

由于本工程不太允許加大連梁截面,也不宜大幅度減小剛度,故此處采用一個小技巧:即將超筋連梁,改為鋼骨構(gòu)件,鋼骨構(gòu)件的截面抗剪入門條件,是普通構(gòu)件的兩倍,V<1/Rre(0.36fcbh0)[2]梁受剪截面驗算(C50)

圖 5 連梁鋼骨構(gòu)造

根據(jù)上述數(shù)據(jù)反查連梁內(nèi)力,基本無超筋情況,故:實配將計算顯示的超筋連梁均加鋼骨配置(圖 5)。這種做法較為簡便有效,基本可以使用在任何剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計上。

2.2.2 小震狀態(tài)框支柱抗剪

在小震狀態(tài)下,針對框支柱的計算承載力,我們還設(shè)定了一個控制指標(biāo)。即:構(gòu)件彈性狀態(tài)下的框支柱實際分擔(dān)剪力(表 3),應(yīng)小于樓層總剪力的10%;這也是為了避免框支布置過多,而對結(jié)構(gòu)安全儲備造成不足。如果能夠滿足,那么在進(jìn)行 0.2Q調(diào)整以后,框支柱抗剪能力至少有一倍的儲備,這就是強(qiáng)剪弱彎的原則。

表 3 框支柱實際承擔(dān)層剪力比例

可見,各柱計算剪力均不大于 10%(注:B座 Y向,由于整體剛度調(diào)整,減少了框支布置,框支柱分擔(dān)的比例較小)。結(jié)構(gòu)安全

2.3 中震可修(目標(biāo)二):

在基本烈度地震作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到或部分超過屈服極限,局部開裂,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈塑性變形。此時,結(jié)構(gòu)應(yīng)該依靠耗能構(gòu)件的塑性耗能能力耗散能量。耗能構(gòu)件一般是:連梁,次要小墻肢(或非落地墻支)等。此類構(gòu)件即便破壞,也不會引起主結(jié)構(gòu)承載力喪失,且不會引起構(gòu)件的連鎖失效反應(yīng)。修復(fù)后,整體建筑仍可繼續(xù)使用。在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計中,我門采用:“靜力彈塑性計算”-進(jìn)行整體分析;“模擬靜力分析”-進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算:

2.3.1 靜力彈塑性計算

由彈塑性靜力分析計算得出,本工程周期-加速度曲線(能力曲線)與需求譜曲線的交點(即認(rèn)為是塑性階段結(jié)束)(圖 6),對應(yīng)位移曲線塑性位移值為1/228(分析計算第 82步)。小于此位移時,結(jié)構(gòu)能力尚可滿足承載需求,結(jié)構(gòu)部分屈服。

2.3.2 模擬靜力分析

計算中震承載力時:對落地墻體及框支柱偏壓偏拉承載力進(jìn)行不屈服驗算,采用近似靜力計算參數(shù):考慮地震組合;地震影響系數(shù)采用中震:α max 0.46;(小震的 2.875倍 );

荷載分項系數(shù):恒載分項系數(shù):CDEAD=1.00活載分項系數(shù):CL IVE=1.00

水平地震力分項系數(shù):CEAH=1.00

材料采用標(biāo)準(zhǔn)值:C50混凝土:32.1N/mm2HRB400鋼筋:400N/mm2

中震計算底部剪力值與小震結(jié)果的對比見表4:

表 4 中震狀態(tài)底部剪力校核

可見,總剪力值增大比例與中震作用增大倍數(shù)相符,判定內(nèi)力計算結(jié)果可信。

2.3.3 中震狀態(tài)的墻體加強(qiáng)措施

我們的第一次試算,顯示在中震狀態(tài)下,底層墻體縱筋超筋較多,需要增加落地墻體配置;從建筑內(nèi)部加墻難度較大,所以考慮增加建筑造型用的外伸墻肢(圖 7),計入結(jié)構(gòu)整體計算。這樣做的好處有兩個:一是提高中震承載能力;二是增加墻體后,將墻體大偏拉部位外移至結(jié)構(gòu)以外,出現(xiàn)在建筑裝飾墻體上。這樣就確保主體結(jié)構(gòu)墻不屈服。

實際上,對于底部框支部位,在中震條件下不允許屈服的設(shè)定,在規(guī)范中的體現(xiàn),就是對特一級框支部位的內(nèi)力放大系數(shù)。增加外挑墻肢,及首層增加局部裙房墻體后,建筑主體墻肢(不含裝飾外挑構(gòu)件)中震偏壓及偏拉承載力計算滿足。核查結(jié)果發(fā)現(xiàn):部分邊緣落地外墻結(jié)果較大。實配時,以此計算結(jié)果控制配筋。實配墻肢端暗柱縱筋配筋率達(dá)到 2.5%以上。

2.3.4 中震狀態(tài)抗剪彈性

對中震受剪驗算遵循:落地墻體及框支柱受剪中震彈性。模擬靜力計算參數(shù):考慮地震組合;地震影響系數(shù)采用中震:0.46(小震的 2.875倍);計入荷載分項系數(shù) (1.2恒 +1.4*0.5活 ±1.3地);材料采用設(shè)計值。計算結(jié)果顯示:墻肢受剪截面均滿足(一般說,剪力墻抗剪能力均儲備較大);實配時,以此計算結(jié)果控制墻體水平配筋。本建筑山墻及第一內(nèi)橫墻的受剪力較大,墻體水平筋實配達(dá)到Φ 16-150;Φ 14-100等。

圖 8 框支層最大框支梁剪力部位校核

2.4 大震不倒(目標(biāo)三):

本工程的大震不倒目標(biāo)的實現(xiàn),同樣是通過彈塑性變形的控制來實現(xiàn)的。計算依據(jù)就是上述的靜力彈塑性分析。考慮地震組合;地震影響系數(shù)采用大震:α max0.90(小震的 5倍);計入豎向地震作用;不計入荷載分項系數(shù);材料采用標(biāo)準(zhǔn)值。連梁剛度折減為 0.05。按圖 6顯示:超過需求層間變形角位移 1/228后,即是在 82步加載以后,隨著加載量的增加,至 100步,結(jié)構(gòu)在大震條件下,進(jìn)入塑性變形。計算最終變形值 1/192;滿足規(guī)范表 4.6.5限值[3]。大震底部剪力值顯示為表 5:

表 5 大震狀態(tài)底部剪力校核

剪力增大比例與大震作用增大倍數(shù)相符,(大震狀態(tài)下,部分構(gòu)件進(jìn)入塑性,地震反應(yīng)有所降低),判定內(nèi)力計算結(jié)果可信。

2.4.1 大震不屈服加強(qiáng)措施

大震狀態(tài)下,我們不再關(guān)心整體結(jié)構(gòu)的承載狀態(tài),而是要對關(guān)鍵部位和薄弱部位進(jìn)行重點驗算。本程所指就是框支構(gòu)件,具體一點說,就是框支梁。體現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎原則,需要滿足的標(biāo)準(zhǔn),為大震作用下,梁剪力彈性。在第一次試算時,顯示出:如果以正常狀態(tài)構(gòu)造確定的梁截面,抗剪不足(圖 8)。必須采取措施:將大跨度框支梁截面加大或根部加腋;鋼骨截面加大;混凝土采用 C50。這樣設(shè)置的目的:就是提高梁抗剪能力,同時也加強(qiáng)了節(jié)點區(qū)域的配置。

加強(qiáng)后,最大位置梁截面約:400×1 400梁腋處受剪截面驗算(C50)

400×1 400的截面條件:Vb<1/0.85* (0.36*32.4*400*1 350)=7 410 kN;查內(nèi)力結(jié)果,滿足了大震抗剪不屈服,梁截面是由大震狀態(tài)控制。做到這里,我們有意識的關(guān)注了一下加強(qiáng)以后,框支梁剪壓比的情況(表 6):

表 6 框支梁剪壓比值

可見比一般狀態(tài)下的常規(guī)概念提高較多[4],應(yīng)該說,是達(dá)到了開始提出的設(shè)防目標(biāo)。

綜上所述,我們在關(guān)鍵部位的實配值,普遍比一般計算結(jié)果超出一倍以上,而每一數(shù)據(jù)均有確實的計算依據(jù)作為支持。從理論分析與數(shù)據(jù)探求過程,我們不難比較發(fā)現(xiàn):如果僅現(xiàn)成按規(guī)范條文套用,如墻厚不小于 1/16 H;墻體配筋率不小于0.3%;框支梁高不小于 1/6L等等來設(shè)計,結(jié)構(gòu)安全是無法保證的。

3 結(jié)論

對于復(fù)雜的超限高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計,我們預(yù)設(shè)了一系列期望達(dá)成的抗震設(shè)防目標(biāo)。最終我們想要控制的,是結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服的順序。對本建筑而言大致是:標(biāo)準(zhǔn)層部分連梁 →部分次要墻肢 →標(biāo)準(zhǔn)層大量連梁 →框支層部分墻體;而框支構(gòu)件,應(yīng)該一直保持在不屈服狀態(tài),直至整體損壞。

經(jīng)過此次結(jié)構(gòu)設(shè)計,我們概括出一些經(jīng)驗方法,以供類似工程參考:即,分別對結(jié)構(gòu)不同抗震階段提出目標(biāo)要求:

· 小震階段,結(jié)構(gòu)整體必須保持整體彈性,并確保足夠延性;

· 中震階段,結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件必須彈性,次要構(gòu)件可以進(jìn)入塑性階段;但應(yīng)確保強(qiáng)剪(抗剪彈性)

· 大震階段,必須保證最關(guān)鍵部位或受力最大部位的不屈服;

這就是采用“回歸三階段抗震設(shè)防理論”進(jìn)行受力分析的一般過程。

[1]胡慶昌.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與研究.中國建筑工業(yè)出版社.1999,P21-28.

[2]《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 138-2001.5.1.4

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》 JGJ 3-2002.4.6.5

[4]高立人,方鄂華,錢稼茹.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計.中國計劃出版社,2005:P188-196.

Seismic Fortification Design ofHigh-Rise Building with Primer-Frame and Shear Wall Structure

Jingtao Zhao,Muyan Zou,Yupeng Zhao

(BeijingHuazi Engineering Deign Company,Beijing100086,China)

Brief discussion on design principles of over-l im it fra m e-supported structure.Through analyzing the deign process,we endeavor to illustrate that for relatively complex structure syste m,due to the lack of clear specif-i cations or no rmal requirements from current design codes,need to back to the basic deign principles of structural design.F irstly,need to set the fortification level of seism ic deign,under the smal,l medium and great earthquake respectively,for different parts of the structure and under different forces.Then proceedingw ith purposive structural analysis,base on the different anticipations and acquiring the corresponding and reliable internal force values.Thisway,the actually structural status can be reflected and finally secure the safety of the structure.

Over-l im it H igh-rise Building;Fra m e Supported Structure;Smal;l Mediu m and Great Earthquake;Structural Elastic;Elastic-Plastic;Plastic Phases;Non-yield

TU973

A

1674-7461(2011)02-0079-07

趙靜濤(1972-),男,總結(jié)構(gòu)師,高級工程師。主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究;

鄒慕燕(1979-),女,總結(jié)構(gòu)師,工程師。主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。